申请/专利权人：南京安讯科技有限责任公司

申请日：2018-11-21

公开（公告）日：2021-01-05

公开（公告）号：CN109257155B

主分类号：H04L5/00(20060101)

分类号：H04L5/00(20060101);H04L9/06(20060101);H04L29/06(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.05#授权;2019.04.19#实质审查的生效;2019.01.22#公开

摘要：本发明公开了一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，该系统采用中心主机HUB接入核心网GGSN发来手机上网3G4G信令，分发给后端业务集群主机处理业务。HUB至少有一个，可以配置多个。所有HUB按相同规则连接后端业务主机。在HUB主机内，HUB主机资源有限，轻量化处理输入信令，减少深度解析信令，按信令中TEID做哈希值划分，以将相同用户分发到相同的线程及其绑定的CPU核处理，以减少线程、内存切换开销。同样按哈希值映射到后端信令分发网卡，而HUB的分发网卡与后端集群后端业务主机接受网卡点对点一一连接。这样每台业务主机处理TEID做哈希值划分的用户集合，相同用户的信令会被分发到同一业务主机。HUB主机和业务主机之间，用改造后的内部总线通讯。

主权项：1.一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，其特征在于包括：接收用户手机端通过核心网发出的3G、4G信令的输入端；接收所述输入端传送的3G、4G信令的HUB主机，其中3G、4G信令包括命令信令和上网数据信令，其中所述HUB主机将上网数据信令不做理解只提取上网数据GTPU的TEID字段后直接传送出去，所述HUB主机将命令信令转为自定义PDU格式再发送；所述HUB主机将接收到的3G、4G信令中TEID字段进行哈希值划分：用户划分时将相同用户分发到相同的线程或同一个CPU核处理，将相同哈希值的业务信令发送至固定的CPU核和线程处理，按信令中TEID哈希值映射将信令提交给指定网卡进行分发；接收所述HUB主机传送的命令信号的集群处理主机，所述集群处理主机的业务主机接受网卡与HUB主机的分发网卡点对点一一连接。

全文数据：一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统技术领域本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统。背景技术在3G、4G的网络构架中，手机用户通过3G4G无线数据通道上网过程中，所有用户的上线、离线、所在基站切换的信令都需要经过GGSN网络。在移动运营商的GGSN网元，用光分多路装置复制分出多路信令数据给第三方应用，应用方可以实现多种增值功能，例如：基于这些信令数据，开发网络质量检测、用户上网行为分析等应用功能。这些光信号中包含了千万级用户的上线、离线、位置更新3G\4G命令信令GTPC、上网数据信令GTPU。具体从协议来讲，是3G\4G创建会话、更新会话、删除会话、传送上网数据等承载信令，由于信令、的数量是巨量的，特别是用户上网数据信令更是海量，单机无法处理，需要多台主机集群构架才能处理。针对上述问题目前的解决方案中，最常用的有两种方案：方案一是将多路命令信令GTPC、上网数据信令GTPU等3G4G信令接入到一个集中处理的高性能中央主机HUB，然后由这台主机将分发到后端的集群各主机。所有信令由一台中心HUB主机接入，为了能分析每个用户的位置、上网相关的信令，而命令信令和上网信令都是上下文相关的，如果简单的将命令信令GTPC、上网数据信令GTPC分发到集群主机。方案二是将多路命令信令GTPC、上网数据信令GTPU等3G4G信令接入到集群各业务主机，再配置一台中心主机HUB。各业务主机收到3G4G命令信令后，转发给HUB主机，HUB主机广播给集群内各主机，每个主机处理所有用户信令的副本，建立用户上下文，并处理接受导的信令数据。但是现有方案一中，所有信令由一台中心HUB主机接入，可以全量地将信令广播给集群内各主机，每台主机上处理所有用户的命令信令数据。这对CPU、内存资源消耗很大，很多台机器在做同样的重复工作。HUB也可以按一定的路由原则分发给集群各主机。HUB主机要对所有信令深度解码，要维护所有用户上下文，对每条注入信令均要做维护上下文、路由分发工作，集群各分机均要求对分发到信令做3G4G协议编解码工作。方案二中，所有集群分机收到用户的命令信令要先发送给HUB，再由HUB给各主机。每台集群主机上处理所有用户的命令信令数据，维护所有用户上下文。这对CPU、内存资源消耗很大，很多台机器需要解析处理所有用户的命令信令，在做同样的重复工作。各集群分机通知HUB、以及HUB广播消息量通信量巨大，特别是内存属于重复冗余投资。用户数据被接入到不同主机，即便同一用户的上网数据信令可能分发给不同业务主机，处理的结果必须汇聚方能使用，增加数据管理难度和性能开销。发明内容根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，接收用户手机端通过核心网发出的3G、4G信令的输入端；接收所述输入端传送的3G、4G信令的HUB主机，其中3G、4G信令包括命令信令和上网数据信令，其中所述HUB主机将上网数据信令不做理解只提取上网数据GTPU的TEID字段后直接传送出去，所述HUB主机将命令信令转为自定义PDU格式再发送；所述HUB主机将接收到的3G、4G信令中TEID字段进行哈希值划分：用户划分时将相同用户分发到相同的线程或同一个CPU核处理，将相同哈希值的业务信令发送至固定的CPU核和线程处理，按信令中TEID哈希值映射将信令提交给指定网卡进行分发；接收所述HUB主机传送的命令信号的集群处理主机，所述集群处理主机的业务主机接受网卡与HUB主机的分发网卡点对点一一连接。所述HUB主机与其内部的业务主机采用内部设置的总线数据通讯，所述HUB主机将3G4G标准GTPC转化为PDU模式的数据后再分发，其中3G4G命令信令用内部PDU协议数据单元承载，3G4G数据信令采用3G4G协议信令承载。所述HUB主机对接收到的3G、4G信令，在TCPIP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式，其中对于3G4G上网数据信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，HUB主机在向集群处理主机发送上网数据信令时改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充；其中对于3G4G命令信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，本系统接入省级运营商所有用户3G、4G用户上线、位置更新、离线的命令信令，以及上网信令，采用集中式主机HUB接入所有信令，按信令中TEID或者号码号段划分用户原则，分发给集群后端若干业务主机。本系统提升HUB主机核心网接入处理性能；提升HUB主机分发信令性能、提高HUB主机上下文处理效率、提高集群业务主机处理用户信令的性能和效率。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明系统的结构示意图。具体实施方式为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：如图1所示的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，包括输入端、述HUB主机和集群处理主机。由于HUB主机资源有限，必须轻量化处理输入信令，尽可能减少深度解析信令，将相同用户的信令分发到同一的线程和核处理，减少线程、内存切换开销。同理，集群内各主机业务处理量很大，也要求轻量化处理输入信令，部分必须在HUB深度解析的信令，直接转化为内部PDU数据分发给集群主机，这样集群主机可以减少解析信令这个环节，降低系统负荷。HUB主机将同一用户的相关信令分配到同一线程处理，而这个线程需要绑定到一个CPU核，以提高性能。命令信令GTPC、上网数据信令GTPU接入到中央主机HUB时，必须全部解析这些信令以建立用户上下文，而解析这些信令需要耗费大量CPU资源。如果在分发信令时直接透传转发，集群主机上将再解析一次分发到的信令，同样要耗费大量资源，增加系统的投资。从性能考虑，CPU和的缓存是物理地址相关的，当核心网输入多路3G\4G用户上网信令时，命令信令、数据信令不一定从同一路，即同一网卡输入，需要用特定的CPU核绑定输入网络处理。同样对于分发到集群主机的网卡，也需要对网卡指定专门的CPU核进行处理。提高系统吞吐量。HUB主机将命令信令GTPC、上网数据信令GTPU分发给集群主机。由于业务需要，HUB主机必须解析命令信令GTPC,如果透传转发GTPC给集群主机，集群内各主机必须重新解析命令信令GTPC，解析信令需要较多CPU开销，这对系统资源来讲是一种浪费。我们设计，HUB将3G4G标准GTPC转化为PDUProtocolDataUnit，协议数据单元模式的数据后分发，读取效率非常高。各集群主机直接读取PDU结构，获取用户上线、离线、位置变更信息。HUB将PDU路由分发给集群主机，而PDU已是扁平化信息，能够在O1的时间复杂度内解析完毕，让后进一步在业务层面分析处理这些数据。为了将所有用户的上下文PDU数据发往同一集群主机，也为了系统结构简单高效率，用信令中TEID哈希取模，获得计算机集群主机号。该用户上下文相关的信令的TEID相同，因此所有相关上下文均送往同一集群主机。集群业务主机直接从PDU数据中获得用户命令信令内容，建立或更新该用户的上下文。HUB主机对3G\4G上网数据信令GTPU的处理对于上网数据信令，HUB无需理解这些信令，也不存在更新上下文，只需直接分发给各集群节点。此时，仅仅需要简单提取上网数据GTPU的TEID，按哈希取模映射到集群主机号，并发送到该主机。由于提取TEID仅仅是从GTPU信令头部做浅度解析，也无须更新用户上下文，直接路由转给该用户上下文所在集群主机即可。对于从HUB分发到集群主机的信令，命令信令转为自定义PDU,而上网数据信令可直接透传给集群主机。这里存在一个问题，如果基于标准TCPIP协议，集群主机对于HUB分发过来的数据，无法区分是PDU格式的命令信令GTPC，还是上网数据信令GTPU，必须我们在TCPIP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式。实施例：1对于3G4G上网数据信令GTPU在Ethernet层,标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFEHUB在向集群主机发送发送上网数据信令GTPU,必须改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充2对于3G4G命令信令GTPC在Ethernet层,标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF程序处理时，HUB转发信令给集群主机必须从数据Ethernet层次进行编码，集群主机也必须从数据Ethernet层次进行解码，不能够用传统的TCPIP的编程模型，因为经过自定义的数据包已不是标准的TCPIP数据包Ethernet承载层自定义数据承载层数据封装规则13G\4G上网数据信令GTPU23G\4G命令信令Ethernet承载层自定义数据承载层IPV4\IPV6承载自定义的PDU数据PDU数据的格式：创建、更新、删除用户所携带索引字段IMSI是相对手机卡而言的国际移动用户识别码；EBI:EPSBearerIDLBI:表明承载资源与哪个PDN相关ReceiveorSendFlag:终端发送或接受信令SGSNTEID：SGSN分配的事务号GGSNTEID:GGSN分配的事务号USERDATATEID:用户数据传输的事务号创建或者更新用户信息携带字段APN:用来标识GPRS的业务种类，目前分为两大类：CMWAP通过GPRS访问WAP业务、CMNET除了WAP以外的服务目前都用CMNET,比如连接因特网等。RATETYPE:无线接入技术的意思，通过相关信令可以看出来，一般包括了2G、2.75G、3G、WLAN等等UEAddress:终端的IP地址MSISDN:终端号码IMEI:国际移动设备识别码SGSNADDRESS:访问SGSN的IP地址GGSNADDRESS：访问SGSN的IP地址GGSNBEARTEID：访问GGSN的事务号SGSNBEARTEID：访问SGSN的事务号用户位置信息MCC移动国家码MNC移动网络码Lac:定位区编码3Ci:小区标识本发明公开的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，具体工作过程为：1、用户开机上线，核心网SGSN网关向GGSN申请上下文资，向输入端发起3G、4G信令，输入端将接受到的信令传送至HUB主机。HUB主机对接收到的信令进行如下处理：2、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TEID字段进行哈希值划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，创建并维护上下文。3、HUB将3G、4G命令信令进行编码，编为PDU格式，MAC层数据自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编解码，可以提高处理效率。4、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TEID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。每个网卡要与集群业务主机的网卡一对一连接。5、集群业务主机收到HUB发来的自定义PDU格式的3G、4G命令信令CreatePDPContext3G命令信令4G中CreateSession或CreateBear命令，以IMSI国际移动用户识别码、EBIEPSBearerID、LBI表明承载资源与哪个PDN相关3个联合关键字创建上下文，上下文中为每个用户维护最多11个BEAR资源的TEID、用户地理位置等关键信息。业务主机可以将用户上线的命令记录下来，供局方维护用。6、用户位置变化，核心网SGSN网关向GGSN资源改变协议，发起UpdatePDPContext3G命令信令4G中UpdateBear命令，申请资源；7、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TEID字段进行哈希划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，查找并更新上下文；如果没有查找到上下文，则重建上下文。8、HUB将3G、4G命令信令进行编码，编为PDU格式，MAC层数据按自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编辑码，可以提高处理效率。9、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，与创建资源相同，每个用户按TEID的哈希值划分。每个用户按TEID的哈希值划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。10、集群业务主机收到HUB发来的自定义PDU格式的3G、4G命令信令UpdatePDPContext3G命令信令4G中UpdateBear命令，以IMSI国际移动用户识别码、EBIEPSBearerID、LBI表明承载资源与哪个PDN相关3个联合关键字关键字查找到上下文，更新用户地理位置等关键信息。业务主机可以将用户地理位置变更的信息记录下来，提供给第三方应用。11、用户离线，核心网SGSN网关向GGSN释放上下文资源，发起DeletePDPContext3G命令信令4G中DeleteSession或DeleteBear命令，释放资源；12、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TEID字段进行哈希值划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，释放上下。13、HUB将3G、4G命令信令进行分发编码，编为PDU格式，MAC层数据自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编辑码，可以提高处理效率。14、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TEID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。15、集群业务主机收到HUB发来自定义PDU格式的3G、4G命令信令DELETEPDPContext3G命令信令4G中DELETEBear命令，以IMSI国际移动用户识别码、EBIEPSBearerID、LBI表明承载资源与哪个PDN相关3个联合关键字关键字查找到上下文，以DELETEBear的TEID粒度为释放资源做标识，如果所有Bear资源都释放，则释放整体上下文。业务主机可以将离线的信息记录下来，提供给第三方应用。16、用户上网时，GGSN将GTPU的信令数据给HUB。HUB仅仅做浅解析，将其中TEID解析出来，GTPU内容直接透传分发GTPU给集群主机，MAC层数据按自定义格式填写。17、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TEID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。18、集群业务主机收到HUB发来自定义PDU格式的3G、4G命令信令GTPU信令大都是HTTP消息和承载数据，以IMSI国际移动用户识别码、EBIEPSBearerID、LBI表明承载资源与哪个PDN相关3个联合关键字关键字查找到上下文，解析HTTP数据，将其中HTTPURL记录下来，提供给局方做上网行为审计。本发明公开的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，该系统采用中心主机HUB接入核心网GGSN发来手机上网3G4G信令，分发给后端业务集群主机处理业务。HUB至少有一个，可以配置多个。所有HUB按相同规则连接后端业务主机。业务主机可以无限扩容。在HUB主机内，HUB主机资源有限，轻量化处理输入信令，减少深度解析信令，按信令中TEID做哈希值划分，以将相同用户分发到相同的线程及其绑定的CPU核处理，以减少线程、内存切换开销。同样按哈希值映射到后端信令分发网卡，而HUB的分发网卡与后端集群后端业务主机接受网卡点对点一一连接。这样每台业务主机处理TEID做哈希值划分的用户集合，相同用户的信令会被分发到同一业务主机。HUB主机和业务主机之间，用改造后的内部总线通讯。其中3G4G命令信令用内部PDUProtocolDataUnit，协议数据单元承载，而3G4G数据信令仍用3G4G协议信令承载。PDU定义协议中，至少包含：索引字段IMSI是相对手机卡而言的国际移动用户识别码、EBI:EPSBearerID、LBI:表明承载资源与哪个PDN相关、ReceiveorSendFlag:终端发送或接受信令、SGSNTEIDSGSN分配的事务号、GGSNTEIDGGSN分配的事务号为了使业务主机能够区分命令和数据信令，自定义MAC层数据，对于数据信令，在Ethernet层,标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，在Ethernet层,标准协议共14字节，其中协议类型字段自定义为0xFF0xFF。这样的信令，不会与任何标准TCPIP协议数据的识别产生冲突。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，其特征在于包括：接收用户手机端通过核心网发出的3G、4G信令的输入端；接收所述输入端传送的3G、4G信令的HUB主机，其中3G、4G信令包括命令信令和上网数据信令，其中所述HUB主机将上网数据信令不做理解只提取上网数据GTPU的TEID字段后直接传送出去，所述HUB主机将命令信令转为自定义PDU格式再发送；所述HUB主机将接收到的3G、4G信令中TEID字段进行哈希值划分：用户划分时将相同用户分发到相同的线程或同一个CPU核处理，将相同哈希值的业务信令发送至固定的CPU核和线程处理，按信令中TEID哈希值映射将信令提交给指定网卡进行分发；接收所述HUB主机传送的命令信号的集群处理主机，所述集群处理主机的业务主机接受网卡与HUB主机的分发网卡点对点一一连接。2.根据权利要求1所述的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，其特征还在于：所述HUB主机与其内部的业务主机采用内部设置的总线数据通讯，所述HUB主机将3G4G标准GTPC转化为PDU模式的数据后再分发，其中3G4G命令信令用内部PDU协议数据单元承载，3G4G数据信令采用3G4G协议信令承载。3.根据权利要求2所述的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化系统，其特征还在于：所述HUB主机对接收到的3G、4G信令，在TCPIP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式，其中对于3G4G上网数据信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，HUB主机在向集群处理主机发送上网数据信令时改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充；其中对于3G4G命令信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF。

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